Первое упоминание о храме относится к 1625 году, когда в центре Красного села была возведена деревянная церковь в честь Воздвижения Честного и Животворящего Креста Господня. Красное село, одно из старейших подмосковных поселений, существовало уже в XII—XIII веках и располагалось у древней Стромынской дороги, ведущей из Москвы во Владимир и Суздаль. Своё название село получило по расположенному в нём Великому (Красному) пруду, площадь которого равнялась площади Московского Кремля (23 га). К началу XVII века село стало большим и густонаселённым, что обусловило необходимость строительства храма для местных жителей.
В 1692 году на месте старой деревянной церкви была построена каменная. Архитектор этой постройки неизвестен, однако здание отражало традиции русского зодчества того времени.
В период Отечественной войны 1812 года храм чудом избежал разрушения, что позволило сохранить его исторический облик. В 1837 году, по указу императора Николая I, Алексеевский женский монастырь был переведён в Красное село. Церковь Воздвижения Креста Господня с приделом Тихвинской иконы Божией Матери стала первой монастырской церковью.
После революции 1917 года и установления советской власти монастырь был упразднён, а его здания переданы под различные хозяйственные нужды. В 1930-х годах большинство построек монастыря было снесено, а в храмах разместились различные учреждения. Крестовоздвиженский храм был встроен в гражданское здание Института рыбного хозяйства и океанографии, что находится по адресу: Верхняя Красносельская ул., 17. В холле и в зале заседаний ещё можно увидеть элементы церковного декора.
В 2006 году храм получил статус приписного к приходу храма преподобного Алексия человека Божия в Красном селе. Однако помещения храма не возвращены Церкви, и здание продолжает использоваться в иных целях.
Архитектурные особенности храма включают традиционные элементы русского зодчества XVII века. Первоначально храм имел пятиглавое завершение и шатровую колокольню, что было характерно для того периода. Однако в результате перестроек и изменений, связанных с его адаптацией под гражданские нужды, многие из этих элементов были утрачены или изменены.
